تعلیق و به دام انداختن ذرات با ضریب کنتراست مثبت و بررسی تاثیر حجم در محیط مایع به‌وسیله پدیده آکوستوفرتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، مهندسی مکانیک، گرایش ساخت و تولید، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، گرایش ساخت و تولید، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استادیار، گروه طراحی صنعتی، دانشگاه الزهرا (س)، تهران، ایران

4 دانشجوی دکترا، مهندسی مکانیک، گرایش ساخت و تولید، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

تعلیق فراصوت به دلیل عدم وابستگی به جنس و خواص ماده، جهت امکان تعلیق، برای طیف گسترده­‌ای از ذرات قابل‌استفاده است و پتانسیل بالایی در انتقال و جابجایی ذرات به‌صورت کنترل‌شده دارد. هدف اصلی در این مقاله، استفاده از روشی جدید بر پایه امواج مافوق صوت، برای تعلیق و جداسازی بدون تماس ذرات از محیط موردنظر می‌­باشد. با استفاده از این روش که آکوستوفرتیک نامیده می‌شود، ابتدا ذره هدف به محیط سیال تزریق‌شده و پس‌­ازآن به حالت تعلیق درآمده و جداسازی ذره صورت می­‌پذیرد. محیطی که جهت این تعلیق و جداسازی انتخاب گردید، آب می­‌باشد. علت این انتخاب، نو بودن انجام تعلیق و جداسازی در این محیط به دلیل ویسکوزیته بالاتر و سرعت صوت بالاتر آب نسبت به هوا و نزدیک بودن این محیط جهت کاربرد پاک‌سازی آب، جداسازی آب موجود در نفت خام و جداسازی پلاکت از خون در مقیاس میکروفلوئیدیک می­‌باشد. نیروی آکوستوفرتیک باید از برآیند نیروی گرانش و شناوری بیشتر باشد که بتواند بر آن غلبه کند و ذره را به حالت تعلیق درآورد و برای افزایش این نیرو نیاز است فشار آکوستیک زیاد شود که در حالت عادی با توجه به فرکانس پایین (kHz20) مورداستفاده و مقیاس ماکرو قابل انجام نیست و افزایش توان مصرفی ترانسدیوسر باعث ایجاد کاویتاسیون شده که مانع تعلیق ذرات می‌­شود، در این مقاله جهت افزایش فشار آکوستیک و تعلیق ذرات از محفظه بسته و با ایجاد جریان ایستای رزونانس استفاده شد که تعلیق ذرات را با همین فرکانس پایین امکان‌­پذیر کرد. در این مرحله سرعت اولیه ذرات در حالت شبیه‌­سازی و عملی 4/0 متر بر ثانیه داده شد و نتایج نشان داد که بیشترین اختلاف سرعت بین ذرات با حجم کم‌ و زیاد 12.5 درصد در حالت شبیه‌­سازی و 10 درصد در حالت عملی بود؛ بنابراین ذره با حجم بیشتر نیروی بیشتری احساس کرده و سرعت بیشتری می­‌گیرد. بیشترین اختلاف بین شبیه‌­سازی و تست عملی نیز 8 درصد بوده که در آزمایش­‌های تجربی، صحت طراحی انجام‌شده و همچنین نتایج شبیه‌­سازی تایید شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Suspension and trapping particles with a positive contrast factor and investigating the effect of particle volume in a liquid medium by the acoustophoretic phenomenon

نویسندگان [English]

  • Yousef Hojjat 1
  • Mohsen Ghazvini 2
  • Vahid Fartashvand 3
  • Alireza Khozestani 4
1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Industrial Design Group, Art Faculty, Alzahra University, Tehran, Iran
4 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Ultrasonic suspension can be used for a wide range of particles due to its independence from the material and properties of the material, and has a high potential for the transfer and manipulation of particles in a controlled manner. The main purpose of this paper is to use a new method based on ultrasonic waves, for suspension and non-contact separation of particles from the desired environment. Using this method, called acoustophoretic, the target particle is first injected into the fluid medium and then it is suspended and separated. The environment chosen for suspension and separation is water. The reason for this choice is the novelty of the suspension and separation in this environment due to the higher viscosity and speed of sound of water than air and the proximity of this environment for water purification, separation of water in crude oil and microfluidic scale separation of platelets from blood. The acoustic force must be greater than the resultant of the gravitational and buoyancy force so that it can overcome it and suspend the particle. In order to increase this force it is necessary to increase the acoustic pressure, which is not feasible due to the low frequency in macro scale (20 kHz) and increasing the power consumption of the transducer causes cavitation that prevents the suspension of particles. At this stage, the initial velocity of the particles in the simulation and practical mode was given as 0.4 m / s and the results showed that the largest difference in velocity between the particles with low and high volume was 12.5% ​​in the simulation and 10% in the experiment; Therefore, the larger the particle, the more force it feels and the faster it gets. The largest difference between simulation and experimental test was 8% therefore, experimental tests confirmed the design accuracy and also the simulation results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultrasonic suspension
  • Acoustophoretic
  • Standing waves
  • Non-contact positioning
  • Suspension in water
  • particle levitation
[1] Fornell, A., Cushing, K., Nilsson, J. and Tenje, M., 2018. Binary particle separation in droplet microfluidics using acoustophoresis. Applied Physics Letters, 112(6), p. 063701.
[2] Baret, J.C., Miller, O.J., Taly, V., Ryckelynck, M., El-Harrak, A., Frenz, L., Rick, C., Samuels, M.L., Hutchison, J.B., Agresti, J.J. and Link, D.R., 2009. Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity. Lab on a Chip, 9(13), pp. 1850-1858.
[3] Franke, T., Abate, A.R., Weitz, D.A. and Wixforth, A., 2009. Surface acoustic wave (SAW) directed droplet flow in microfluidics for PDMS devices. Lab on a Chip, 9(18), pp. 2625-2627.
[4] Huebner, A., Bratton, D., Whyte, G., Yang, M., Demello, A.J., Abell, C. and Hollfelder, F., 2009. Static microdroplet arrays: a microfluidic device for droplet trapping, incubation and release for enzymatic and cell-based assays. Lab on a Chip, 9(5), pp. 692-698.
[5] Jung, J.H., Destgeer, G., Park, J., Ahmed, H., Park, K. and Sung, H.J., 2017. On-demand droplet capture and release using microwell-assisted surface acoustic waves. Analytical chemistry, 89(4), pp.2211-2215.
[6] Fornell, A., Nilsson, J., Jonsson, L., Periyannan Rajeswari, P.K., Joensson, H.N. and Tenje, M., 2015. Controlled lateral positioning of microparticles inside droplets using acoustophoresis. Analytical chemistry, 87(20), pp. 10521-10526.
[7] Fornell, A., Ohlin, M., Garofalo, F., Nilsson, J. and Tenje, M., 2017. An intra-droplet particle switch for droplet microfluidics using bulk acoustic waves. Biomicrofluidics, 11(3), p. 031101.
[8] Han, S.I., Kim, H.S. and Han, A., 2017. In-droplet cell concentration using dielectrophoresis. Biosensors and Bioelectronics, 97, pp.41-45.
[9] Brouzes, E., Medkova, M., Savenelli, N., Marran, D., Twardowski, M., Hutchison, J.B., Rothberg, J.M., Link, D.R., Perrimon, N. and Samuels, M.L., 2009. Droplet microfluidic technology for single-cell high-throughput screening. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(34), pp. 14195-14200.Acad. Sci. U.S.A. 106, 14195 (2009).
[10] Gao, R., Cheng, Z., deMello, A.J. and Choo, J., 2016. Wash-free magnetic immunoassay of the PSA cancer marker using SERS and droplet microfluidics. Lab on a Chip, 16(6), pp. 1022-1029.
[11] Fornell, A., Cushing, K., Nilsson, J. and Tenje, M., 2018. Binary particle separation in droplet microfluidics using acoustophoresis. Applied Physics Letters, 112(6), p. 063701.
[12] Le, T. T., Jeon, J. U., Woo, S. J., & Higuchi, T. (2012). An electrostatic suspension system using piezoelectric actuators. Smart Materials and Structures, 21(2), 025012.
[13] King, L.V., 1934. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London. Series A-Mathematical and Physical Sciences147(861), pp. 212-240.
[14] L. P. Gor'kov, “Forces acting on a small particle in an acoustic field within an ideal fluid”, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 140:1 (1961), 88–91
[15] Castillo-León, J., Svendsen, W.E. and Dimaki, M., 2011. Micro and nano techniques for the handling of biological samples. CRC Press.
[16] Murimi, E., Kihiu, J., Nyakoe, G. and Mutuli, S., 2017. A survey of Ultrasonic Waves in Powder Transportation.
[17] Foresti, D., Nabavi, M., Klingauf, M., Ferrari, A. and Poulikakos, D., 2013. Acoustophoretic contactless transport and handling of matter in air. Proceedings of the National Academy of Sciences,110(31), pp. 12549-12554.
[18] Gupta, T., Ghosh, R. and Ganguly, R., 2018. Acoustophoretic separation of infected erythrocytes from blood plasma in a microfluidic platform using biofunctionalized, matched‐impedance layers. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering, 34(4), p. e2943.
[19] Seyed Ali mirshabani, Design and Fabrication of Langvin Ultrasonic Transducers Considering Radial, Vibration, Master Thesis, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, 2016. (In Persian)
[20] Foresti, D. and Poulikakos, D., 2014. Acoustophoretic contactless elevation, orbital transport and spinning of matter in air. Physical review letters112(2), p. 024301.
[21] T. Laurell, F.Petersson, A.Nilsson, Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles, Chemical Society Reviews, 36, 492–506, 2007
[22] A. Tojo, Free Flow Acoustophoresis Technology Transfer from Silicon to Glass, Master’s Thesis, department of measurement technology and Industrial Electrical Engineering, Lund university, November, 2012
[23] A. Khouzestani, Y. Hojjat, M. R. Karfi and H. S. Firoozabad, "Simulation and investigation of a particle positioning device performance by acoustophoretic phenomenon," 2016 4th International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM), 2016, pp. 501-505, doi: 10.1109/ICRoM.2016.7886792.
[24] M. Ghazvini, Y. Hojjat, A. Khouzestani, "Suspension and separation of particles with different contrast coefficients and volumes by acoustofertic phenomenon," 2021, 17th National Conference and 6th International Conference on Manufacturing Engineering. (in Persian)
[25] Yang, Y. and Li, X., 2003. Experimental and analytical study of ultrasonic micro powder feeding. Journal of Physics D: Applied Physics, 36(11), p. 1349.